(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
近赤外光を受光して正孔を信号電荷とする受光素子または受光素子アレイを製造するために用いる半導体ウエハであって、
ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板の上に位置する多重量子井戸構造とを備え、
前記多重量子井戸構造が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下「ＩｎＧａＡｓ」と記す）層と、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．２５≦ｙ≦０．７３）層とを対とする積層構造であり、
前記ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、前記ＩｎＰ基板側の部分のＳｂ組成ｙが、反対側の部分のＳｂ組成ｙよりも大きく、
前記ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、前記Ｓｂ組成ｙが、前記ＩｎＰ基板側から反対側の部分へと、ステップ状に小さくなっているか、または傾斜して小さくなっており、
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層は、該ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層内で組成が一定であることを特徴とする、半導体ウエハ。
【請求項２】
前記ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、前記ＩｎＰ基板側の部分のＳｂ組成ｙが０．４９〜０．７３の範囲にあり、反対側の部分のＳｂ組成ｙが０．２５〜０．４９の範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の半導体ウエハ。
【請求項３】
前記多重量子井戸構造のバンドにおいて、前記ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層内で、前記正孔に対する価電子帯のエネルギが、前記ＩｎＰ基板側の隣のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層との境界での値に比べて、前記ＩｎＰ基板側と反対側の隣のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層の境界側へと高くなっている部分がある、ことを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体ウエハ。
【請求項４】
前記ＩｎＧａＡｓ層の代わりに、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＰ、およびＩｎＧａＡｓＮＳｂのうちのいずれかが、前記ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．２５≦ｙ≦０．７３）層と対をなして前記ＭＱＷを構成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体ウエハ。
【請求項５】
ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板の上に位置する多重量子井戸構造の受光層と、
前記受光層の上に位置するコンタクト層と、
前記コンタクト層の表面から受光層にまで届くｐ型領域と、
前記ｐ型領域にオーミック接触して正孔の電荷を読み出すためのｐ側電極とを備え、
前記多重量子井戸構造が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８）層と、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．２５≦ｙ≦０．７３）層とを対とする積層構造であり、
前記ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、前記ＩｎＰ基板側の部分のＳｂ組成ｙが、反対側の部分のＳｂ組成ｙよりも大きく、
前記ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、前記Ｓｂ組成ｙが、前記ＩｎＰ基板側から反対側の部分へと、ステップ状に小さくなっているか、または傾斜して小さくなっており、
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層は、該ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層内で組成が一定であることを特徴とする、受光素子。
【請求項６】
前記ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、前記ＩｎＰ基板側の部分のＳｂ組成ｙが０．４９〜０．７３の範囲にあり、反対側の部分のＳｂ組成ｙが０．２５〜０．４９の範囲にあることを特徴とする、請求項５に記載の受光素子。
【請求項７】
前記多重量子井戸構造のバンドにおいて、前記ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層内で、前記正孔に対する価電子帯のエネルギが、前記ＩｎＰ基板側の隣のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層との境界での値に比べて、前記ＩｎＰ基板側と反対側の隣のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層の境界側へと高くなっている部分がある、ことを特徴とする、請求項５または６に記載の受光素子。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の受光素子が、複数、前記ＩｎＰ基板に配列されている受光素子アレイであって、前記ｐ型領域が前記受光素子ごとに設けられ、隣り合う前記受光素子が前記ｐ型領域でない領域で隔てられており、前記ｐ側電極が前記ｐ型領域ごとに配置されていることを特徴とする、受光素子アレイ。
【請求項９】
前記ｐ型領域が、前記コンタクト層の表面からＺｎが選択拡散された領域であるか、または、前記コンタクト層および前記ＭＱＷを含むエピタキシャル層の成長時にｐ型不純物をドーピングして、ｎ型不純物の選択拡散によるｎ型領域で囲まれた領域であることを特徴とする、請求項８に記載の受光素子アレイ。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の受光素子アレイと、シリコンに形成された読み出し回路とを備えたハイブリッド型検出装置であって、前記受光素子アレイのｐ側電極ごとに、前記読み出し回路の読出電極とが導電接続されていることを特徴とする、ハイブリッド型検出装置。
【請求項１１】
前記受光素子アレイにおけるＩｎＰ基板の裏面から光を入射することを特徴とする、請求項１０に記載のハイブリッド型検出装置。
【請求項１２】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体ウエハ、請求項５〜７のいずれか１項に記載の受光素子、請求項８〜９のいずれか１項に記載の受光素子アレイ、または請求項１０〜１１のいずれか１項に記載のハイブリッド検出装置を用いたことを特徴とする、光学センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外域での受光を対象とする、半導体ウエハ、受光素子、受光素子アレイ、ハイブリッド型検出装置、光学センサ装置、および半導体ウエハの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近赤外域は、動植物などの生体や環境に関連した吸収スペクトル域に対応するため、受光層にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた近赤外光の検出器の開発が盛んに行われている。たとえば受光層にExtended−InGaAsを用いることで波長２．６μｍまで感度を持たせた受光素子アレイに、読み出し回路(ROIC:Read-out  IC)であるＣＭＯＳ（Complementary  Metal−Oxide  Semiconductor）を接続して、光電荷を出力信号に変換する検出器の例が発表されている（非特許文献１）。その受光素子アレイでは、入射光によって発生する電子／正孔対の電子を共通のｎ側電極に集合的に集め、正孔を画素電極であるｐ側電極からＣＭＯＳへ読み出している。
【０００３】
また受光層にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２型の多重量子井戸構造（ＭＱＷ:Multi-Quantum  Wells）を用い、画素領域をｐ型としたｐｉｎ型フォトダイオードについて、波長２．５μｍまで感度を持つことが報告されている（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】高橋秀夫ら「近赤外用InGaAs光検出器」，OPTRONICS(1997),No.3, pp.107-113
【非特許文献２】R.Sidhu,N.Duan, J.C.Campbell, and A.L.Holmes, Jr.," A 2.3μmcutoff wavelength photodiode on InP using lattice-matched GaInAs-GaAsSb type IIquantum wells”2005 International Conference on IndiumPhosphide and Related Materials
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の非特許文献１の近赤外用ＩｎＧａＡｓ光検出器（イメージセンサ）では、ＩｎＰ基板に格子整合しない組成のＩｎＧａＡｓを受光層としているため、暗電流が大きくなりノイズが大きい。バッファ層によって徐々に歪みを緩和するなどの工夫をしているが、限界がある。このノイズを低減してＳ／Ｎ比を実用可能なレベルまで改善しようとすると冷却装置が必要になり、大掛かりとなる。また、ＩｎＧａＡｓ受光層上にエピタキシャル成長させる窓層には、ＩｎＰ等を用いることができず、たとえばＩｎＧａＡｓ受光層に格子整合するＩｎＡｓＰ（Ａｓ／Ｐはほぼ０．６／０．４）を窓層に用いると、ＩｎＡｓＰは波長１〜１．５μｍに吸収帯があるため、表面入射でも裏面入射でも、この波長域に対する感度は小さくなる。
また、非特許文献２の受光素子については、これまで、アレイ化して検出装置とした例はなく、ましてアレイ化された検出装置の感度などの測定がなされた例はない。
【０００６】
本発明は、近赤外域に高い受光感度を持つ、半導体ウエハ、受光素子、受光素子アレイ、ハイブリッド型検出装置、光学センサ装置、および半導体ウエハの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体ウエハは、近赤外光を受光して正孔を信号電荷とする受光素子または受光素子アレイを製造するために用いる。この半導体ウエハは、ＩｎＰ基板と、ＩｎＰ基板の上に位置する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とを備え、ＭＱＷが、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８）層と、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．２５≦ｙ≦０．７３）層とを対とする積層構造であり、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、ＩｎＰ基板側の部分のＳｂ組成ｙが、反対側の部分のＳｂ組成ｙよりも大きく、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、Ｓｂ組成ｙが、ＩｎＰ基板側から反対側の部分へと、ステップ状に小さくなっているか、または傾斜して小さくなっており、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層は、該ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層内で組成が一定であることを特徴とする。
【０００８】
タイプ２型のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷでは、受光において、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に正孔が、ＩｎＧａＡｓの伝導帯に電子が生じる（間接遷移）。以後、ＧａＡｓＳｂの価電子帯における正孔に注目して説明を進める。ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．２５≦ｙ≦０．７３）層（以下、とくに差し支えない限りＧａＡｓＳｂ層と記す）では、Ｓｂ組成ｙが大きいほうが、バンドの価電子帯のトップは低くなる。すなわち価電子帯における正孔の格子井戸の底は、格子井戸の障壁トップ（隣接するＩｎＧａＡｓの価電子帯との境界）に近づくようになる。上記の構成によれば、ＭＱＷのＧａＡｓＳｂ層において、ＩｎＰ基板側の部分では、価電子帯での正孔の量子井戸の底は深いのに対して、反対側の部分ではそれよりも底が浅くなる。このため、ＭＱＷ内を逆バイアス電界に駆動されてＩｎＰ基板と反対側に移動する正孔は、ＧａＡｓＳｂ内において、深い底から量子井戸の障壁を一気に越える必要はなく、たとえば、中間高さ位置を経由して、またはなだらかな坂を上って障壁に到達してその障壁を容易に越えることができる。上記のＳｂ組成ｙの分布は、障壁越え補助機構ということができる。この結果、ＩｎＰ基板近くのＭＱＷで生じたとしても、正孔は、数百というＭＱＷを越えてＩｎＰ基板と反対側の電極にたどり着くことができる。上記のような量子井戸の障壁越え補助機構がない場合、ＭＱＷ内のＩｎＰ基板に近い範囲で生じた正孔の多くは、途中で消滅して受光情報をもたらさない。本発明のように、ＩｎＰ基板側の部分のＳｂ組成ｙを、反対側の部分のＳｂ組成ｙよりも大きくすることで、受光感度を向上させることができる。
「ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、ＩｎＰ基板側の部分のＳｂ組成ｙが、反対側の部分のＳｂ組成ｙよりも大きい」とは、（ＩｎＰ基板側でＩｎＧａＡｓに接する部分〜厚み中心）の平均的なＳｂ組成ｙが、（厚み中心〜ＩｎＰ基板と反対側のＩｎＧａＡｓに接する部分）の平均的なＳｂ組成ｙより大きいことをいう。
なお、以後の説明では、とくに断らない限り、電子に対するバンドの価電子帯トップを、底またはボトムと呼ぶこととする。電子に対するバンドを用いて正孔の状態を論じる場合、字義に拘泥すれば解釈が混乱する箇所があるかもしれないが、どのような場合においても、前後の文脈から明らかな本発明の趣旨に添って解釈するべきである。
【０００９】
ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、Ｓｂ組成ｙを、ＩｎＰ基板側から反対側の部分へと、ステップ状に小さくするか、または傾斜して小さくする。これによって、基板入射の場合に、価電子帯における正孔が、ＭＱＷ内をＩｎＰ基板と反対側へと円滑にドリフトできる半導体ウエハを得ることができる。
【００１０】
ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、ＩｎＰ基板側の部分のＳｂ組成ｙを０．４９〜０．７３の範囲とし、反対側の部分のＳｂ組成ｙを０．２５〜０．４９の範囲とすることができる。これによって、格子欠陥密度を小さくしながら、ＧａＡｓＳｂ価電子帯の正孔に対する基板と反対側へのドリフトに対する障壁を緩和する作用を得ることができる。
【００１１】
ＩｎＧａＡｓ層の代わりに、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＰ、およびＩｎＧａＡｓＮＳｂのうちのいずれかが、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．２５≦ｙ≦０．７３）層と対をなしてＭＱＷを構成することができる。これによって、より一層、長波長側に受光感度を拡大することができる。
【００１２】
本発明の受光素子は、ＩｎＰ基板と、ＩｎＰ基板の上に位置するＭＱＷの受光層と、受光層の上に位置するコンタクト層と、前記コンタクト層の表面から受光層にまで届くｐ型領域と、ｐ型領域にオーミック接触して正孔の電荷を読み出すためのｐ側電極とを備える。そして、ＭＱＷを、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８）層と、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．２５≦ｙ≦０．７３）層とを対とする積層構造として、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、ＩｎＰ基板側の部分のＳｂ組成ｙを、反対側の部分のＳｂ組成ｙよりも大きく、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、Ｓｂ組成ｙが、ＩｎＰ基板側から反対側の部分へと、ステップ状に小さくなっているか、または傾斜して小さくなっており、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層は、該ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層内で組成が一定であることを特徴とする。これによって、ＭＱＷ内の受光位置によらず、受光で生じた正孔の多くをｐ側電極に到達させることができる。この結果、基板入射においても受光感度を高く維持することができる。
【００１３】
ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、Ｓｂ組成ｙが、ＩｎＰ基板側から反対側の部分へと、ステップ状に小さくなっているか、または傾斜して小さくなっている。これによって、価電子帯における正孔が、ＭＱＷ内をＩｎＰ基板と反対側へと容易にドリフトすることができ、ＭＱＷにおける正孔の消滅確率を減らすことができる。この結果、基板入射であっても受光素子の感度を確保することができる。
【００１４】
ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の中において、ＩｎＰ基板側の部分のＳｂ組成ｙを０．４９〜０．７３の範囲とし、反対側の部分のＳｂ組成ｙを０．２５〜０．４９の範囲とすることができる。これによって、格子欠陥密度を小さくしながら、ＧａＡｓＳｂ価電子帯に生じた正孔が基板反対側へとドリフトするのに抗するハードルを緩和する作用を得ることができる。この結果、受光位置がＩｎＰ基板に近くても高い受光感度を維持することができる。
【００１５】
本発明の受光素子アレイは、上記のいずれか１つの受光素子が、複数、ＩｎＰ基板に配列されている受光素子アレイであって、ｐ型領域が受光素子ごとに設けられ、隣り合う受光素子がｐ型領域でない領域で隔てられており、ｐ側電極がｐ型領域ごとに配置されていることを特徴とする。
これによって、分光された近赤外光の強度分布（強度−波長曲線）等を測定することができる。各位置の受光素子は、近赤外域の長波長域まで感度を持つので、複数の吸収帯などを持つ生体成分などに対して高品質の強度分布を測定することができる。受光素子アレイは、一次元アレイでも二次元アレイでもよい。
【００１６】
ｐ型領域を、コンタクト層の表面からＺｎが選択拡散した領域とするか、または、コンタクト層および前記ＭＱＷを含むエピタキシャル層の成長時にｐ型不純物をドーピングして、ｎ型不純物の選択拡散によるｎ型領域で囲まれた領域とすることができる。これによって、メサエッチングなどによる結晶性の劣化を起こさずに、このため暗電流等を増大させずに、各画素を隣の画素から電気的または半導体的に隔てて形成することができる。
【００１７】
本発明のハイブリッド型検出装置は、上記の受光素子アレイと、シリコンに形成された読み出し回路とを備えたハイブリッド型検出装置であって、受光素子アレイのｐ側電極ごとに、読み出し回路の読出電極とが導電接続されていることを特徴とする。
これによって、従来よりも大きく小型化、軽量化した、近赤外光を対象とする検出装置を得ることができる。このため、携帯用にも、生体内へ挿入検査用にも、またその他の用途にも適した検出装置を得ることができる。
【００１８】
上記のハイブリッド型検出装置では、受光素子アレイにおけるＩｎＰ基板の裏面から光を入射することができる。
上記の受光素子アレイでは、光入射からすぐに受光しやすいＩｎＰ基板に近い位置で受光して正孔が価電子帯の基底準位に位置しても、逆バイアス電圧下、ＩｎＰ基板と反対側へのドリフトにおいて、正孔の足もとのエネルギは、上述の障壁越え補助機構によって、上記反対側へは井戸障壁トップへと近づくので、比較的容易に越えることができる。この結果、価電子帯に生じた正孔は、多数のＭＱＷを越える必要はあるが、画素電極にまで到達する確率が増大する。これによって、受光感度が高い検出装置を得ることができる。
【００１９】
本発明の光学センサ装置は、上記のいずれか１つの半導体ウエハ、いずれか１つの受光素子、１つの受光素子アレイ、またはいずれか１つのハイブリッド検出装置を用いたことを特徴とする。
上記の光学センサ装置は、受光素子アレイやハイブリッド型検出装置のいずれかと、光学素子、たとえば分光器、レンズ等の光学系とを、組み合わせたものであり、波長分布測定を遂行したり、撮像装置として用いたり、多くの有用な実用製品を得ることができる。上記の光学センサ装置の具体例としては、（ｉ）視界支援もしくは監視をするための撮像装置、（ｉｉ）生体成分検査装置、水分検査装置、食品品質検査装置、などの検査装置、（ｉｉｉ）燃焼ガスの成分把握などのためのモニタリング装置、などを挙げることができる。要は、上記の受光素子、受光素子アレイ、もしくはハイブリッド型検出装置と、レンズ、フィルタ、光ファイバ、回折格子、分光レンズなどの光学素子とを、組み合わせた装置であれば何でもよい。画面表示や判定をする場合は、さらにマイコンや画面表示装置等を加えることができる。
【００２０】
参考として挙げる半導体ウエハの製造方法は、近赤外光を受光する受光素子または受光素子アレイを製造するために用いる半導体ウエハを製造する。この製造方法は、ＩｎＰ基板の上に、ＭＱＷの受光層を成長する工程を備え、ＭＱＷの成長工程において、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８）層と、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．２５≦ｙ≦０．７３）層とを対に成長させ、かつ、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の成長において、ＩｎＰ基板側の部分のＳｂ組成ｙが、反対側の部分のＳｂ組成ｙよりも大きいように成長することを特徴とする。
また、受光素子アレイの製造方法は、ＩｎＰ基板の上に、ＭＱＷの受光層を成長する工程と、受光層の上にコンタクト層を成長する工程と、コンタクト層の上に設けた選択拡散マスクパターンから受光層に届くようにｐ型不純物を選択拡散して受光素子ごとにｐ型領域を形成する工程とを備える。そして、ＭＱＷの成長工程において、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８）層と、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．２５≦ｙ≦０．７３）層とを対に成長させ、かつ、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の成長において、ＩｎＰ基板側の部分のＳｂ組成ｙが、反対側の部分のＳｂ組成ｙよりも大きいように成長することを特徴とする。
【００２１】
既存の製造方法を用いて、近赤外域に高感度を有する受光素子アレイまたはその製造に用いられる半導体ウエハを、容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の受光素子等によれば、正孔を信号電荷に用いて、基板入射であっても近赤外域に良好な感度を持つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における受光素子アレイの断面図である。
【図２】図１に示す受光素子アレイの平面図である。
【図３】図１に示す受光素子アレイと、ＣＭＯＳとを組み合わせて形成したハイブリッド型検出装置を示す断面図である。
【図４】タイプ２型のＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＭＱＷで構成される受光層のバンド図であり、（ａ）は、ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｙを、ＩｎＰ基板と反対側へとステップ状に小さくしたＭＱＷのバンド、（ｂ）は、本発明前のＭＱＷのバンド、である。
【図５】本発明の半導体ウエハを示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２における光学センサ装置である撮像装置または視界支援装置を示す図である。
【図７】自動車の夜間後方の視界支援装置を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態３における光学センサ装置である生体成分検出装置を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４における光学センサ装置である、生体中の水分検出装置（眼の水分布像形成装置）を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態５における光学センサ装置である、ごみの焼却炉においてごみの温度分布測定装置を示す図である。
【図１１】図１０における温度分布撮像装置を示す図である。
【図１２】ごみ焼却炉における近赤外スペクトルを示す図である。
【図１３】水の吸収スペクトルを示す図である。
【図１４】本発明前の受光素子アレイと、読み出し回路を構成するＣＭＯＳとを備えるハイブリッド型検出装置を示す図である。
【図１５】タイプ２型ＭＱＷを受光層とした場合のエネルギバンドを示し、（ａ）は基板入射、（ｂ）はコンタクト層入射、の場合のエネルギバンド図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
＜本発明前のハイブリッド型検出装置における問題＞
ここで説明する、近赤外域用のタイプ２型ＭＱＷを受光層とする本発明前の最新技術におけるハイブリッド型検出装置についての問題は未だ知られていない。
図１４は、本発明前の最新技術における受光素子アレイ１５０と、読み出し回路（ＲＯＩＣ）を構成するＣＭＯＳ１７０と、を備えるハイブリッド型検出装置１１０を示す図である。受光素子アレイ１５０は次の積層構造を有する。
ＩｎＰ基板１０１／ｎ＋型ＩｎＰ（またはＩｎＧａＡｓ）バッファ層１０２／受光層１０３（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のタイプ２型ＭＱＷ／ＩｎＧａＡｓ選択拡散濃度分布調整層１０４／ＩｎＰコンタクト層１０５
光はＩｎＰ基板１０１側から入射される。すなわち基板入射である。これに対して、ｐ型コンタクト層１０５の側からの入射をコンタクト層入射と呼ぶ。受光素子またはフォトダイオードは、ＩｎＰコンタクト層１０５の表面から選択拡散によって導入されたｐ型領域１０６の先端に位置するｐｎ接合１１５を備える。各受光素子は、選択拡散されていない領域によって隔てられている。選択拡散に用いた選択拡散マスクパターン１３６はそのまま残され、その選択拡散マスクパターン１３６上に保護膜１３７が被覆される。
受光素子の電極または画素電極（ｐ側電極）１１１は、ＩｎＰコンタクト層１０５表面でｐ型領域１０６にオーミック接触するように配置され、グランド電極（ｎ側電極）１１２は、各受光素子に共通に、ｎ型ＩｎＰ基板１０１にオーミック接触するように配置される。ＣＭＯＳ１７０の読み出し電極を形成するパッド１７１は、接合バンプ１３１を介在させて画素電極１１１と導電接続される。ＣＭＯＳ１７０のグランド電極１７２および受光素子アレイ１５０のグランド電極１１２は、外部にアースされる。
受光の際には、ｐｎ接合１１５に逆バイアス電圧、すなわち画素電極１１１とグランド電極１１２との間に、グランド電極１１２の電圧が画素電極１１１より高くなるように電圧を印加する。空乏層はタイプ２型ＭＱＷの受光層１０３に拡がり、ここに到達した光によって電子正孔対が生成される。タイプ２型ＭＱＷなので、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に正孔が、またＩｎＧａＡｓの伝導帯に電子が生成する。画素電極１１１はグランドより電圧が低いので正孔を集めて、正孔が画素情報を形成する。この正孔電荷を所定時間ピッチで読み出すことで、画像または測定信号の強度分布等を形成することができる。
【００２５】
受光層１０３を構成するタイプ２型ＭＱＷでは、受光で生じた正孔は、図１５（ａ），（ｂ）に示すように、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に生じ、電子はＩｎＧａＡｓの伝導帯に生じる。すなわち光によって、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の電子が、ＩｎＧａＡｓの伝導帯に励起されることで、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に正孔が発生する。図１５に示すバンド図は電子に対するバンド図なので、正孔については上下を逆に読む。図１５（ａ）は、図１４に示すように、基板入射の場合であり、図１５（ｂ）は、それとは逆のコンタクト層入射の場合である。基板入射の場合、空乏層はＩｎＰ基板側へと受光層内に大きく張り出しているので、光は、基板に近い位置ですぐに空乏層内で受光され、正孔を生成する。図１５（ａ）に示すように、逆バイアス電界による駆動は受けるものの、ＭＱＷの受光層１０３を通る際、多数の高い障壁を越えながらコンタクト層１０５に到達しなければならない。
図１５（ａ）と（ｂ）とを比較して、基板入射の場合は、受光で生成した正孔は、多数のＭＱＷを越えなければ画素電極１１１に到達できないが、コンタクト層入射では、受光は画素電極１１１に近いＭＱＷ内の位置で生じて、正孔は画素電極１１１に到達するのに多くのＭＱＷを越える必要はない。
【００２６】
基板入射の場合、正孔は、逆バイアス電圧下、コンタクト層１０５側にドリフトするのに、価電子帯における無数の障壁を越えなければならない。このため、ｐ型領域１０６または画素電極１１１に到達する正孔の数は、受光で生成した数から相当割合が減少したものとなり、受光感度が低下する。もともと、正孔は有効質量が電子に比べて大きく、移動度が小さいことは知られていた。しかし、上記の受光感度の低下は、そのような一般的な移動度の大小では説明がつかない。上記の受光感度が低下する現象については、その機構を究明中である。要は、タイプ２型ＭＱＷの受光層１０３を備え、ｐ型領域１０６に画素電極１１１を配置して正孔を信号電荷とした受光素子アレイ１５０またはハイブリッド型検出装置１１０について次の実験事実を確認している。
（１）タイプ２型ＭＱＷを受光層とする受光素子に対して、コンタクト層入射の場合、近赤外光の受光感度または量子効率は、０．３〜０．９を示す。この量子効率は、良好といえる。
（２）しかしながら、同じ受光素子アレイを基板入射とすると、近赤外域の量子効率は、０．０５〜０．５という非常に低い値に低下してしまう。二次元の受光素子アレイを用いる場合、各画素に配線を設けるため、配線による光に対する妨害を避けるため、ＩｎＰ基板の裏面からの入射とせざるをえない。
【００２７】
＜本発明のポイント＞
本発明のポイントは次の点にある。タイプ２型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＭＱＷを受光層に含む受光素子アレイにおいて、ＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂ層を複合的にして、ＧａＡｓＳｂ層のうちＩｎＰ基板（グランド電極）に近い層のＳｂ組成ｙを、画素電極に近い側の層のＳｂ組成ｙよりも大きくすることである。たとえばＧａＡｓＳｂ層を複数の部分層に区分けして画素電極側へとステップ状にＳｂを減らすか、またはＧａＡｓＳｂ層内で組成ｙに傾きをつけて画素電極側へと低くなるようにする。これによって、正孔はＧａＡｓＳｂの基底準位レベルに落ち込んでも、正孔の足もとのエネルギが画素電極側に高くなっているので、ＧａＡｓＳｂの画素電極側の障壁トップ（隣接するＩｎＧａＡｓの価電子帯との境界）を比較的容易に越えることができる。このため、本発明の受光素子または受光素子アレイでは、正孔を信号電荷に用いながら、基板入射であっても受光感度または量子効率を高めることができる。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子アレイ５０の断面図である。また、図２は、受光素子アレイ５０の平面図であるが、チップ端縁に位置するグランド電極は、省略してある。
受光素子アレイ５０は、ＩｎＰ基板１／ｎ＋型ＩｎＰバッファ層２／タイプ２型ＭＱＷによる受光層３／拡散濃度分布調整層４／コンタクト層５、の積層構造を有している。選択拡散マスクパターン３６の開口部から、コンタクト層５／選択拡散濃度分布調整層４を経て、受光層３にまで届くように、Ｚｎが選択拡散されて、ｐ型領域６が形成されている。このコンタクト層５におけるｐ型領域６の表面に、ｐ側電極または画素電極１１がオーミック接触するように配置されている。画素Ｐは、ｐ型領域６および画素電極１１を備え、各ｐ型領域６は、隣り合うｐ型領域とは、選択拡散されていない領域によって電気的または半導体的に隔てられている。これによって画素Ｐの独立性または分離が確保される。また、メサエッチングなどをしないので、暗電流の低い受光素子アレイ５０を得ることができる。拡散濃度分布調整層４はなくてもよいが、ｐ型不純物のＺｎを拡散するとき、ＭＱＷにおけるＺｎ濃度を所定レベル以下に抑制するのに好都合なので、ＭＱＷ受光層３とコンタクト層５との間に拡散濃度分布調整層４を挿入してもよい。
各画素電極１１に共通に一つのグランド電極１２が、ｎ＋型ＩｎＰバッファ層２にオーミック接触するように配置される。Ｚｎの選択拡散を行って、ｐ型領域６を形成するためのＳｉＮの選択拡散マスクパターン３６は、そのまま残され、さらにその上をポリイミド等の保護膜３７で被覆する。また、ＩｎＰ基板１の裏面にはＳｉＯＮ膜の反射防止膜（ＡＲ膜）３５が被覆されている。受光素子アレイ５０における画素Ｐは、３０μｍピッチで３２０個×２５６個が配列される。全体のチップサイズは横１０ｍｍ×縦９ｍｍである。
本実施の形態では、受光層３を構成するタイプ２型ＭＱＷのうちのＧａＡｓＳｂにおいて、Ｓｂ組成ｙが、ステップ状に変化しており、画素電極１１側でＳｂ組成ｙが小さくなっている点に特徴を有する。
【００２９】
図３は、図１の受光素子アレイ５０を用いたハイブリッド型検出装置１０を示す断面図である。ハイブリッド型検出装置１０は、受光素子アレイ５０と、読み出し回路（ＲＯＩＣ）を構成するＣＭＯＳ７０とを組み合わせて構成されている。光は、ＡＲ膜３５が設けられているＩｎＰ基板裏面から入射される。
受光の際、各画素Ｐにおいて、ｐｎ接合１５に逆バイアス電圧が印加されて空乏層がＭＱＷ受光層３に大きく広がる。基板入射された光は、ＩｎＰ基板１を透過してすぐに、ＭＱＷ受光層３内で受光される。受光で生じた正孔は、図１５（ａ）に示したように、ＭＱＷ受光層を通って、画素電極１１に至って画素の受光情報を読み出される。
【００３０】
図４は、受光層３を構成するタイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷのバンドを示す図である。図４（ａ）は、本発明の受光素子におけるバンドを、また図４（ｂ）は、本発明前の受光素子におけるバンドを示す。ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｙは、バンドに影響する。Ｓｂ組成が小さいと、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の正孔の底（電子に対する価電子帯トップ）と、隣接するＩｎＧａＡｓの価電子帯の正孔の底（電子に対する価電子帯トップ）との差ΔＥｖは、小さくなる。このため、ＧａＡｓＳｂに生じた正孔は、逆バイアス電界に駆動されて画素電極に移動する際に、この差ΔＥｖ程度の障壁を越える必要がある。
ＩｎＰとの格子整合を歪み最小で実現するＳｂ組成ｙは０．４９である。すなわちＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９がＩｎＰとの格子整合上、好ましい。このとき、ＧａＡｓＳｂのΔＥｖは、図４（ｂ）に示すように、０．３４ｅｖである。正孔は、上記のΔＥｖをもつ量子井戸障壁を、数百、越えて画素電極１１に移動しなければならない。
これに対して、本実施の形態では、上述のようにＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｙを、画素電極１１側に向かって小さくする。たとえば、ＧａＡｓＳｂ層を２層Ｓ１，Ｓ２に分けて、ＩｎＰ基板１側のＳ１層はＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９として、画素電極１１側のＳ２層はＳｂ組成ｙを０．２５とした、ＧａＡｓ０．７５Ｓｂ０．２５とする。Ｓ１層とＳ２層とに分けることで、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の正孔は、画素電極側のＩｎＧａＡｓの価電子帯に、階段を上がるようにして移ることができる。階段の１ステップΔＥｖ１またはΔＥｖ２は０．１７ｅＶと半減される。Ｓ１層とＳ２層に分けない図４（ｂ）の場合、一気に０．３４ｅＶの障壁を越えなければならないが、図４（ａ）の場合、０．１７ｅＶずつ上ればよい。このため、画素電極１１側に向いた逆バイアス電界下、正孔は、比較的容易に、量子井戸を移動してゆくことができる。
【００３１】
＜ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｙの分布＞
図４（ａ）に示した例では、Ｓｂ組成ｙは２段ステップ状に分布している。Ｓｂ組成ｙの分布の変形例としては、次の分布がある。
（１）３段以上のステップで、単調にＳｂ組成ｙが減少するタイプ。
（２）Ｓｂ組成ｙがほとんどの位置で単調に減少して、コンタクト層側で隣接するＩｎＧａＡｓに接する薄い層部分ではＳｂ組成ｙが急激に増加する逆台形型または逆三角型のタイプ。これは格子整合とΔＥｖ減少とを両立させることを重視する分布である。ただし、（ＩｎＰ基板側でＩｎＧａＡｓに接する部分〜厚み中心）の平均的なＳｂ組成ｙが、（厚み中心〜ＩｎＰ基板と反対側のＩｎＧａＡｓに接する部分）の平均的なＳｂ組成ｙより大きい、という条件の範囲内である。
（３）傾斜した分布。
（４）傾斜と平坦との組み合わせ。
要は、ＧａＡｓＳｂ層において、価電子帯が、画素電極側の隣のＩｎＧａＡｓの価電子帯の境界へと近づくような組成分布であれば、どのようなものでもよい。
【００３２】
次に、図１の受光素子アレイ５０について、受光層を中心に詳しく説明する。
受光層３はタイプ２型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＭＱＷで構成する。ｐ型領域６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合１５が形成され、上記の画素電極１１およびグランド電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、ｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。上記のＭＱＷ受光層３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で５×１０１５／ｃｍ３程度またはそれ以下とするのがよい。そして、ｐｎ接合の位置１５は、ＭＱＷ受光層３のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。受光層３とコンタクト層５との間に、拡散濃度分布調整層４を挿入してもよいが、拡散濃度分布調整層４はなくてもよい。拡散濃度分布調整層４を挿入する場合、バンドギャップエネルギが比較的低いために不純物濃度が低い厚み部分（受光層側の所定厚み部分）があっても電気抵抗が大きくなりにくいＩｎＧａＡｓで形成するのがよい。
本発明が対象とする受光素子アレイ５０は、近赤外域からその長波長側に受光感度を有することを追求するので、コンタクト層５には、ＭＱＷ受光層３のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギの材料を用いるのが好ましい。このため、コンタクト層５には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるＩｎＰを用いるのがよい。ＩｎＰとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。
【００３３】
タイプ２型ＭＱＷでは、フェルミエネルギを共通にして異なる２種の半導体層が交互に積層されたとき、第１の半導体（ＩｎＧａＡｓ）の伝導帯と、第２の半導体（ＧａＡｓＳｂ）の価電子帯とのエネルギ差が、受光感度の波長上限（カットオフ波長）を決める。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、第２の半導体の価電子帯と、第１の半導体の伝導帯との間で行われる（間接遷移）。このため、ＧａＡｓＳｂの価電子帯のエネルギを、ＩｎＧａＡｓの価電子帯より高くし、かつＩｎＧａＡｓの伝導帯のエネルギを、ＧａＡｓＳｂの伝導帯のエネルギより低くすることにより、１つの半導体内の直接遷移による場合よりも、受光感度の長波長化を容易に実現することができる。
【００３４】
上記の受光素子アレイ５０は、次の工程で製造される。
ＩｎＰ基板１上に、２μｍ厚みのｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２（またはｎ型ＩｎＰバッファ層２）を成膜する。次いで、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のＭＱＷの受光層３を形成する。ＩｎＰと格子整合するようＩｎＧａＡｓの組成はＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓとする。またＧａＡｓＳｂのＳ１層の組成はＧａＡｓ0.5１Ｓｂ0.4９とする。Ｓ２層は、図４（ａ）では、Ｓｂ組成ｙは０．２５を例示したが、これは下限値の例であり、これより高い値である０．４０とするのがよい。これにより格子整合度（｜Δａ／ａ｜：ただし、ａはＩｎＰ基板の格子定数、Δａは相互間の格子定数差）を０．００２以下とすることができる。
ＧａＡｓＳｂ層の上記Ｓ１層およびＳ２層の成長方法は、次のようにして行う。ＭＢＥ法で発光層を成長させる場合、ＧａＡｓＳｂ層の上記Ｓ１層は、ＧａとＡｓおよびＳｂのシャッターを開けて成長を開始する。Ｓ１層成長終了と同時にＡｓシャッターは開けたままＧａとＳｂのシャッターを閉じて成長中断を行い、その間にＡｓ及びＳｂのバルブセル開口度をＳ２用に変更する。５秒程度の中断後成長を再開し、Ｓ２層を成長させる。
単位量子井戸構造を形成する、ＩｎＧａＡｓ層の厚みは５ｎｍ、またＧａＡｓＳｂ層の厚みは５ｎｍであり、ペア数（単位量子井戸の繰り返し数）は２５０である。次いで、受光層３の上に、Ｚｎ拡散導入の際の拡散濃度分布調整層４として、厚み１μｍのＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長し、次いで、最後に厚み１μｍのＩｎＰコンタクト層５をエピタキシャル成長する。上記の受光層３および拡散濃度分布調整層４は、ともにＭＢＥ(Molecular  Beam  Epitaxy)法によってエピタキシャル成長するのがよい。また、ＩｎＰコンタクト層５は、ＭＢＥ法でエピタキシャル成長してもよいし、拡散濃度分布調整層を成長させた後、ＭＢＥ装置から取り出して、ＭＯＶＰＥ(Metal  Organic  Vapor  Phase  Epitaxy)法によってエピタキシャル成長してもよい。
【００３５】
ＩｎＰ基板１は、Ｓｉ等のｎ型不純物を所定レベル以上含むものを用いてもよい。この場合は、グランド電極１２をＩｎＰ基板１にオーミック接触することができる。たとえばＳｉなどｎ型ドーパントを１×１０１７／ｃｍ３程度またはそれ以上含ませるのがよい。また、Ｆｅ含有半絶縁性ＩｎＰ基板であってもよく、この場合は、図１に示すようにｎ＋型ＩｎＰバッファ層２にグランド電極をオーミック接触することができる。
ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＭＱＷ受光層３、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４、およびＩｎＰコンタクト層５は、ノンドープが望ましいが、Ｓｉなどｎ型ドーパントを極微量（たとえば２×１０１５／ｃｍ３程度）ドーピングしてもよい。
【００３６】
上述のように、選択拡散マスクパターン３６を用いて選択拡散により、受光素子の周縁部より内側に、平面的に周囲限定してｐ型不純物を拡散導入するので、上記のｐｎ接合１５は受光素子の端面に露出しない。画素Ｐの内側にｐ型領域６が限定され、画素Ｐは、複数個、素子分離溝なしに配列され、隣接する画素Ｐとは、確実に区分けされる。この結果、光電流のリークは抑制される。
図１において、ｐｎ接合１５は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層３内において、ｐ型不純物元素Ｚｎが選択拡散で導入される側と反対の面側の領域の不純物濃度が、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域（ｉ領域と呼ばれる）であり、上記拡散導入されたｐ型領域６と当該ｉ領域との間に形成される接合をも含むものである。すなわち上記のｐｎ接合は、ｐｉ接合などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合におけるｐ濃度が非常に低い場合も含むものである。
上述のように、ＩｎＰキャップ層４の表面に形成したＳｉＮ選択拡散マスクパターン３６を用いて、その開口部からＺｎを選択拡散してＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（またはＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３内に届くようにｐ型領域６を形成する。ｐ型領域６のフロント先端部がｐｎ接合１５を形成する。そして、ｐｎ接合１５の近傍におけるＺｎ濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。
【００３７】
上記の製造方法によれば、フォトダイオードアレイ５０は、素子分離用のメサエッチングをすることなくＺｎの選択拡散（受光素子の周縁部の内側になるように平面的に周囲限定した拡散）によって、隣り合う受光素子どうし分離する。すなわち、Ｚｎ選択拡散領域６が１つの画素部Ｐの主要部となるが、Ｚｎが拡散していない領域が、各画素を分離する。このため、メサエッチングに付随する結晶の損傷などを受けることがなく、暗電流を抑制することができる。
【００３８】
不純物の選択拡散によってｐｎ接合１５を形成する場合、拡散が深さ方向だけでなく横方向（深さ直交方向）にも進行するので、素子間隔を一定以上、狭くすることができない懸念があるが、実際にＺｎの選択拡散を行ってみると、最表面にＩｎＰコンタクト層５があり、その下にＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が配置された構造では、横方向の拡散は、深さ方向と同程度またはそれ以下に収まることが確認された。すなわち、Ｚｎの選択拡散において、Ｚｎは選択拡散マスクパターン３６の開口径よりも横方向に広がるが、その程度は小さく、図１などに模式的に示すように、選択拡散マスクパターン３６の開口部よりも少し広がるだけである。選択拡散マスクパターン３６およびＩｎＰキャップ層４は、ＳｉＯＮなどからなる保護膜３７で被覆される。
【００３９】
ＩｎＰ基板１は、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に５度〜２０度傾斜したオフアングル基板とするのがよい。より望ましくは、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に１０度〜１５度傾斜させる。このような大きなオフ角基板を用いることにより、欠陥密度が小さく結晶性に優れたＩｎＧａＡｓバッファ層２、タイプ２のＭＱＷの受光層３、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層およびＩｎＰキャップ層４を得ることができる。
【００４０】
＜半導体ウエハ＞
図５は、ＩｎＰ基板１／ｎ＋型バッファ層２／（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（Ｓ１層及びＳ２層）ＭＱＷ受光層３、の半導体ウエハである。この半導体ウエハ５１により、正孔を信号電荷に用いて基板入射でもコンタクト層入射でも、近赤外域に良好な感度を持つ受光素子アレイ、ハイブリッド型検出装置等を製造することができる。このような半導体ウエハ５１は、これまでにない有用性を得ることができる。
【００４１】
（実施の形態２−光学センサ装置（１）−）
図６は、本発明の実施の形態２における光学センサ装置２０である撮像装置または視界支援装置を示す図である。本視界支援装置は、自動車の夜間運転における運転者の前方の視界を支援するために、車両に搭載される。車両には、実施の形態１において説明した受光素子アレイ５０と、図示しない、ＣＭＯＳやレンズなど光学素子等とを含むハイブリッド型検出装置１０と、撮像された画像を表示する表示モニター６１と、これらを駆動制御する制御装置６０とが搭載される。また、図７は、自動車の夜間運転における運転者の後方の視界を支援するために、車両に搭載される、夜間後方の視界支援装置を示す図である。自動車の後部に後ろ向きに取り付けられた、実施の形態１の受光素子アレイ５０、ＣＭＯＳ、レンズなど光学素子等を含むハイブリッド型検出装置１０で撮像した画像は、運転者の上部前方の表示装置６１に表示される。撮像装置７０および表示装置６１は、制御装置６０によって駆動制御される。
【００４２】
本発明より前の車両用視界支援装置では、物体からの赤外域の反射光または放出光を受光して画像とするため、次のような問題があった。反射光を利用する場合、光源が必要であり、搭載スペースを要し、またコスト増となる。また、物体の放射熱を利用する場合、人以外の非発熱体や防寒具を着た歩行者等は認識が難しいため、赤外カメラ以外の認識手段と併用する必要がある。また、光源を使う場合、使用する波長域によっては人体への影響、すなわちアイセーフ対策を講じる必要がある。
【００４３】
本実施の形態における視界支援装置では、上記のような余分の光源やアイセーフ対策は不要である。また、撮像対象の発熱、非発熱を問わない。さらに霧中など水分を含む環境中でも、対象物の鮮明な画像を得ることができる。このため夜間における優れた車両用の視界支援装置を提供することができる。これは、物体からのＳＷＩＲ(Short  Wavelength  Infra-Red)帯の宇宙光の反射光を利用して、かつ暗電流が十分少なく、優れたダイナミックレンジ（Ｓ／Ｎ）を持つ受光素子を用いているからである。
上記は自動車の視界支援装置であるが、その他、暗視装置、航海支援装置、侵入者監視装置、室内監視装置、高い位置に配置した都市火災監視装置等に利用することができる。
【００４４】
（実施の形態３−光学センサ装置（２）−）
図８は、本発明の実施の形態３における光学センサ装置２０である生体成分検出装置を示す図である。図８において、受光部に上述のハイブリッド型検出装置１０を用い、グルコースの近赤外域の長波長域に位置する吸収帯を用いて濃度測定を行う。本実施の形態では、生体を透過した近赤外光を測定してグルコース濃度を求める。人体の反射光を用いてもよい。光は次の経路を通る。
光源６３→照射用ファイバ６４→検出部位（ユビ）→情報搭載光ファイバ６５→回折格子（分光器）９１→ハイブリッド型検出装置１０→制御部８５
検出部位において血液成分の吸収スペクトルを得ることで、制御部８５において血糖値の絶対値、またはその相対値もしくは大小を検出することができる。図８に示す例は、ヒトの指の透過光を受光するが、皮膚、筋肉、血液など多くの生体組織の情報を得ることができる。
【００４５】
レファレンス信号の測定は、生体（指）の装入時には退き、生体が退いた時に装入されるように、アクチュエータ６７によって駆動される基準板の透過光によって行う。基準板の厚みは、基準板の材料にもよるが透過光の光量が十分あるように薄くしておくのがよい。基準板の移動は、アクチュエータ６７によって行うことで、位置や姿勢（角度）のばらつきが生じないようにする。
上記は、ハイブリッド型検出装置１０を光学センサ装置２０に組み込み、人体透過光による血糖値の測定に用いた例であるが、その他、人体反射光による血糖値、体脂肪、眼の角膜のコラーゲン、顔面のコラーゲン分布像などの測定に用いることができる。
【００４６】
（実施の形態４−光学センサ装置（３）−）
図９は、本発明の実施の形態５における光学センサ装置である、生体中の水分検出装置（眼の水分布像形成装置）を示す図である。眼の不具合には、乾き眼、なみだ眼、など水分と関連した症状が多い。このような症状が出たとき、図９に示すように、角膜Ｃだけでなく、眼Ｅの前面すべての水分布イメージをとることで、その症状を評価することができる。たとえば涙腺に対応する箇所で、水濃度が異常に高いなどを検出することが可能である。凹面鏡６８は近赤外光に対する反射率が大きいものを用いるのがよく、たとえば金（Ａｕ）で形成したものを用いる。凹面鏡６８は、眼の正面ではなく傍らに位置して、光源６３から発して眼の各部からの光を反射して、眼の各部の像をハイブリッド型検出装置１０による撮像装置に結像させるようにする。フィルタ６９は、水の吸収帯に属する１．４μｍ付近の光または１．９μｍの付近の光を透過させるものがよい。制御部８５のマイクロコンピュータ８５ｂは、ハイブリッド型検出装置１０の画素の出力信号に基づいて、眼Ｅにおける水分布像を形成し、表示装置８５ｃに表示する。本発明に係る撮像装置１０は、暗電流が低く、長波長側にまで感度が高いため、Ｓ／Ｎ比の高い、鮮明な水分布像を得ることができる。このため、眼における水の果たす作用、水の動きなどの理解に役立つ。
【００４７】
眼は光に対して非常に敏感に反応するので、できれば光源６３は使用しないことが好ましい。ＳＷＩＲ宇宙光のスペクトルの発光ピークを、光源に用いることができる。たとえばＳＷＩＲの所定の発光ピークの波長は、１．４μｍ付近にあり、水の吸収帯に属する波長である。このため、光源６３を除いて、ＳＷＩＲ宇宙光で代用することができる。または、人工の光源６３を用いるにしても、光を近赤外域に限定して、しかもそのピーク値をＳＷＩＲ宇宙光のピーク強度のたとえば２倍とすることでもよい。上記ＳＷＩＲ宇宙光を光源にすることでアイセーフが確実に実現される。上記のように、ＳＷＩＲ宇宙光を用いたり、強度レベルの低い光源を用いることができるのは、本実施の形態に係る撮像装置を構成するハイブリッド型検出装置１０の暗電流を低くできるからである。すなわち微弱な信号でも、鮮明な画像を形成することができるからである。
上記は生体の部分である眼の水分検出装置の例であるが、このほか、自然産物の水分測定（メロンの水分測定（品質検定）、水分による籾混入率の測定、他の果物、海苔、魚介類、乳製品など）、角膜矯正手術における角膜水分測定、顔面肌など生体の水分測定、紙製品の水分測定、自動排油装置中の油中の水分測定、汚泥の脱水ケーキの水分測定、石炭の水分測定、衣類乾燥機における衣類の水分測定などに用いることができる。
【００４８】
（実施の形態５：光学センサ装置（４））
図１０は、本発明の実施の形態５における光学センサ装置２０である、ごみの燃焼炉においてごみの温度分布を得るための温度分布測定装置である。気体中の成分濃度を検出するための環境モニタ装置の一具体例である。また図１１は温度分布撮像装置２０ａを示す図である。ごみ燃焼炉では、炭素または炭化水素は塊状であり燃料に適した形態で存在するわけではないので、すすは少なく、また水分が多量に存在する。図１２は、ごみ燃焼炉における近赤外スペクトルを示すが、水の発光スペクトル波長λ２，λ３が顕著である。本実施の形態においては、水の発光スペクトルが温度によって変化することを利用して、図１３に示す水の吸収スペクトルと合わせて、水の濃度と温度とをモニタリングする。図１３中、（Ｋ１）および（Ｋ２）は、それぞれ１０ｍｍおよび１ｍｍのキュベットセルを用いて測定したものである。発光スペクトルの強度は、水の濃度にも比例するので、２つの発光ピーク波長だけでは、精度のよい測定が難しいので、吸収スペクトルも用いる。
温度分布撮像装置２０ａでは、干渉フィルタ１０ａが重要である。干渉フィルタ１０ａは、上記の水の発光ピーク波長λ２，λ３、および複数の吸収ピーク波長のそれぞれに透過波長をもつフィルタとする。たとえば吸収ピーク波長は、図１３に示すように、近赤外域に２つの鋭いピークＭ２，Ｍ３をもつが、干渉フィルタ１０ａは、これらの波長の光を通すようにする。したがって、干渉フィルタ１０ａは、上記の２つの発光ピーク波長と合わせて全部で４種類、または４つの透過波長のフィルタを配置することになる。外部の操作によって自動的に、これら４種類の干渉フィルタを選択する自動選択機構を設けることが望ましい。レンズ等の光学系１０ｃについても自動的にピントを合わせる自動焦点機構を設けるのがよい。たとえば、上記４種類の干渉フィルタに対応して、４つの波長の光について、ごみまたはその少し上方の撮像を行う。これによって４つの波長の像を得ることができる。
予め、水蒸気温度および水蒸気濃度を変えた空気について、上記の波長における光の強度を求め、温度の回帰式を求めておくことができる。この温度回帰式を制御部のマイコン８５ｂに記憶させておく。上記の撮像によって、各位置において、波長ごとの強度を得ることができる。上記の温度回帰式を用いれば、各位置において、温度を求めることができる。このように、水の温度および濃度を両方ともモニタすることで、ごみの燃焼状態を精度よく検知することができる。
従来は、多くの温度センサをごみ焼却装置内に配置していたが、本実施の形態の装置を、焼却炉の上方部または頂部に配置することで、温度センサの数を削減することができる。
【００４９】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の半導体素子等によれば、近赤外域に感度を持ち、冷却することなく暗電流を抑制することができ、今後、小型化および高感度化が可能になり、生体等への急激な利用に資することができる。
本発明の受光素子等によれば、正孔を信号電荷に用いて、基板入射でもエピタキシャル面入射でも、近赤外域に良好な感度を持つことができる。このため、工業、医学、生活物資等の分野において、高品質の製品を得ることができるようになる。
【符号の説明】
【００５１】
１  ＩｎＰ基板、２  バッファ層、３  受光層、４  拡散濃度分布調整層、５  コンタクト層、１０  ハイブリッド型検出装置、１１  ｐ側電極（画素電極）、１２  ｎ側電極（グランド電極）、１５  ｐｎ接合、２０  光学センサ装置、３１  接合バンプ、３５  反射防止膜、３６  選択拡散マスクパターン、３７  保護膜、５０  受光素子アレイ、６０  制御装置、６１  表示装置、６３  光源、６４  照射用光ファイバ、６５  情報搭載光ファイバ、６７  アクチュエータ、６９  フィルタ、７０  ＣＭＯＳ（読み出し回路）、７１  パッド（読み出し電極）、７２  グランド電極、７６  凹面鏡、８５  制御部、８５ｂ  マイコン、８５ｃ  表示部、９１  回折格子（分光器）、Ｐ  画素。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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